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HFSS应用案例：10GHz短缝波导耦合器电磁仿真

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设计内容：采用电磁仿真软件设计一款工作在10GHz频段的短缝波导耦合器。

具体要求：

中心工作频率10GHz；

采用标准的三公分金属矩形波导作为导波结构；

仿真结果分析（3dB，6dB，9dB）各自单独分析。

【摘要】本文设计并仿真了一款采用标准三公分金属矩形波导作为导波结构的定向耦合器，对耦合度分别为3dB、6dB、9dB的情况进行了设计，在设计中进行参量对比，仿真优化，并结合理论公式，最终得出仿真分析结果。

关键词：波导耦合器；短缝波导；矩形波导；耦合度；S散射参数

一引言

定向耦合器是一种用途极为广泛的四端口��接头，如图1所示，它由主波导1,2和副波导3,4组成，当所有端口都端接特性阻抗上，这时端口1,2间功率能自由传输而没有反射，同时在端口1,4间或端口2,3间没有功率传输，端口1,3和端口2,4间存在耦合，其耦合度取决于耦合器结构。[1]

定向耦合器的特性可用耦合系数和方向性来表示。假定波在主波导中从端口1向端口2传播，其耦合系数和方向性分别定义为:

这里应当注意，端口2,3,4都是端接在它们的特性阻抗上的，耦合系数是主线与副线功率电平之比的量度，因此，若耦合系数已知，只要测量端口3的功率，就能确定端口1的输入功率，这个特性对微波功率的测量是很有意义的，方向性是主波导的前进行波仅仅耦合到副波导特定端口的好坏程度的量度，理想定向耦合器的方向性应当无穷大，因为端口2,3是完全匹配的，所以端口4的输出功率必须为零，实际上，一个良好的定向耦合器起方向性仅为30到35dB。

定向耦合器有几种类型，单孔定向耦合器、双空定向耦合器、四孔定向耦合器、反极耦合定向耦合器(Schwinger耦合器)和Bethe孔定向耦合器，本文针对的是窄壁耦合的单孔定向耦合器。

二单孔定向耦合器工作原理

图2中给出了它的结构简图和工作原理。在主副波导的公共窄壁上切去一段长度的壁，作为耦合缝隙，适当选择缝宽（具体数值下文给出），使得输入端1理论上有一半的功率能耦合到3端口输出，即耦合度C近似为3dB，在端口3处电场的相位滞后于端口2处电场的相位π/2，副波导中的端口4无输出或输出忽略不计，这种裂缝电桥又称为3dB电桥。

通过运用奇偶模的分析方法得出了耦合缝长度的计算公式，其公式如下：

注：其中，

为

模的波导波长，

为

模的波导波长。

但是在上述计算中由于忽略了结构不连续性的影响，因此实验值和理论值还是有差别的。在实际结构中，为改善匹配和加宽频带，可以在耦合区的中心线上（沿轴线方向）安置容性螺钉或感性螺杆。[2]另外，为了更有效地抑制高次模，还可以把耦合段的宽度稍微变窄一些，或在窄壁的内侧添加具有一定厚度的金属镶片，以使波导变窄些。采取这些措施后，耦合段的长度与采取措施前相比，会有变化。本文即选择在主副波导的两侧加上了金属台阶，可以有效地拓宽带宽，使耦合器性能提升。

下面我们将通过具体的仿真来说明加上台阶后对耦合器性能的影响。

三仿真模型建立

运用HFSS电磁仿真软件，建立由两个三公分金属波导耦合而成的定向耦合器模型如图3，在图中所标参量中，耦合器总长80mm，矩形波导中宽边为22.86mm，窄边为10.16mm，波导壁厚度为2mm，其余参数为待优化参量，其中耦合缝长为l1，台阶的长度为l2，宽度为w1。其三视图及相关系数见图4、5、6。

图4 定向耦合器三视图x-y面

图5 定向耦合器三视图x-z面

图6 定向耦合器三视图y-z面

我们先对没有台阶的模型进行仿真，发现很难达到所需要的耦合度要求，并且仿真出的相对带宽很窄。如图7显示的是3dB定向耦合器的[S]散射参数中S31和S21的曲线，很明显，在满足中心频率点10GHz处为3dB的情况下，相对带宽较窄,达不到设计要求，所以我们决定在耦合器的两侧加上金属台阶，目的是改善耦合器的性能。下面对加台阶的模型进行仿真分析。